随着钻井深度的增加,钻井效率逐渐降低,为提高钻进速度,各类具有扭转冲作用的辅助钻井设备应用于PDC钻头,根据现场反馈结果表明扭转冲击器可以大幅度提高钻井效率。为在满足钻井效率的情况下,提高扭转冲击器的经济性,有关冲击作用下PDC钻头破岩规律还有必要进一步研究。本文详细介绍了离散元法的相关原理,建立了岩石试样离散元模型,通过离散元软件,对扭转冲击作用下PDC单齿破岩的相关规律进行分析研究,并建立双齿切削模型及全钻头钻进模型对扭转冲击条件下破岩规律做了进一步研究。并完成扭转冲击条件下PDC切削齿破岩室内实验,对数值模拟结果进行对比验证。本文主要的研究内容如下:(1)通过了16组仿真实验,分析了离散元仿真模型四个主要参数对岩石力学特性的影响,将数值模拟结果与室内真实实验结果进行拟合,由拟合结果可知轴向变形量-试验力曲线拟合度高,证明标定参数可以用于真实实验。(2)建立了PDC切削齿在扭转冲击作用下破岩的离散元模型,分析了不同的岩性、不同切削深度、不同切削角度、不同切削齿直径及不同冲击频率对PDC切削齿的破岩效率的相关规律进行分析,确定了在扭转冲击条件下最佳切削深度2.5mm,最佳前倾角5°,在满足现有的工艺条件限制及不同地质条件的制约下,为提高钻井效率,应选择相对小齿径的切削齿。(3)在分析PDC切削齿扭转冲击作用下破岩规律基础上,建立了PDC双齿切削模型,对PDC切削齿在钻进过程中切削齿之间的应力场干涉现象进行分析,确定常规钻进条件下破碎比功最小值在齿间距5.5mm取得,扭转冲击作用下破碎比功最小值在齿间距6.5mm处取得,为科学布齿提供理论基础。(4)在PDC双齿切削岩石的离散元模型的基础上,建立扭转冲击作用下PDC全钻头破岩离散元模型,通过对不同位置切削齿受到轴向力、扭矩及破碎比功的分析确定不同位置切削齿受力规律,为扭转冲击条件下PDC钻头的精选和优化设计提供一定的理论依据。(5)完成了在扭转冲击条件下全钻头破岩实验,证明钻进转速一定,则扭转冲击条件下破岩效率远高于单一条件下钻头破岩效率,加大钻压,则扭转冲击钻进破岩效率将会比单一静压钻进效率更高。通过对冲击频率对机械钻速的影响曲线分析可知,存在一个最优的冲击频率范围已达到最优机械钻速,提高破岩效率。